연구보고서
| 보고서명 | 지속가능한 정전여과 및 생물학적 미세먼지의 효과적 살균을 위한 마찰전기/가시광 활성 하이브리드 섬유필터 개발(1차년도) |
| 연구책임자 | 최동윤 |
| 발행년도 | 2022 |
| 내 용 | 1. 연구배경 - 2019년 국내 연평균 초미세먼지 농도는 24.8 ㎍/㎥로 OECD 회원국 중 가장 높음 - 최근 연구에 의하면 공기 중 박테리아가 오염물질을 먹고 번식하고 유기 화학물질을 배출해 공기질(Air quality)을 더욱 악화시키며, 미세먼지는 병원균을 군집화시킴 - 미세먼지에 대응하기 위해 지난 1년간 월 소득 200만원 미만 가구의 미세먼지 대응 지출 비용은 평균의 절반 정도인 10,593원에 불과함. 세척 가능한 경제적 섬유필터 소재 기술 개발의 시급성 보여줌 - 2003년 사스, 2015년 메르스, 2019년 신종 코로나바이러스 사태 등 신종 바이러스의 효과적 포집과 살균을 통해 전염방지와 감염 피해를 차단할 수 있는 新개념 항균 섬유소재 기술 필요 2. 현재 기술 한계점 - 패시브한 항균성을 가지는 나노입자의 직접적 접촉에 의한 살균은 오염물질의 퇴적에 의해 효과가 급격히 저감되는 단점이 있음 - 간접적으로 UV 광촉매반응으로 생성된 O2- 라디칼, OH 라디칼, H2O2 등 활성산소의 살균작용이 이용되나 UV의 비경제성과 오존 발생 등이 제한적임 - 이에, 태양광 또는 가시광 적용을 위해 저 밴드갭 반도체, 비금속, 양자점 등을 TiO2, ZnO 등 광촉매에 복합화하거나 Metal-organic framework 구조의 항균필터 개발이 진행되고 있음. 그러나 합성과정이 복잡하고 제조비용이 높아 실용적인 대안 기술 개발이 필요 - 정전하가 주입된 정전필터는 수분이나 유기물질에 노출되면 섬유상에 보유된 전하가 소실되어 사용시간에 따라 집진성능이 급격히 저하되는 문제가 있음 3. 연구 가설 및 근거 - 가시광 반응 유기염료를 이산화티탄 나노입자에 흡착시켜 가시광 에너지에서의 활성산소 생성 효율을 향상시키고, 이를 마이크로섬유 필터에 코팅하여 나노섬유의 지지체 역할과 활성산소(ROS) 생성·공급 역할을 하도록 디자인함 (물속에서의 ROS 이동거리는 대략 ?OH ~ 1 ㎛, H2O2 ~ 2 ㎜로 보고됨) - PVDF-TrFE 섬유는 물리적 마찰에 의한 높은 (-)전하 대전열을 나타내며 최근 마찰전기 수확형 소자에 널리 이용되고 있음. 또한, 강유전성에 의해 외부 전기장 방향에 따라 내부 dipole이 배향되는 현상을 이용하여 전기적 특성을 향상 할 수 있을 것임 - 전기적으로 중성인 입자와 하전 된 섬유 사이에 발생된 유전영동력(dielectrophoretic force)에 의한 입자 부착효율은 섬유 전하량 제곱에 비례하고, 섬유직경의 세제곱에 반비례하여 증가됨. - 즉, 나노섬유 층은 주된 미세먼지 포집역할을 수행하게 되고 전체 필터의 집진성능을 반영할 것임 - 항균성능과 밀접한 ROS를 발생하는 마이크로 섬유 층은 입자퇴적에 따른 항균효율 저하의 문제가 해결될 것으로 기대됨 - 가시광촉매 복합 나노입자와 섬유에 소수성 작용기 분자를 결합하여 소수성 표면개질을 통해 필터 기공에서의 모세관에 의한 물의 흡수와 섬유표면에서의 수분 흡착을 완화하여 수분 안정성 및 내구성을 향상시키고자 함 4. 연구방법 - 이산화티탄 광촉매 나노입자와 다양한 가시광반응 유기염료 조합에 따른 밴드갭 에너지 오프셋 및 활성산소 생성 분석 등 가시광촉매 항균 메커니즘 분석 연구 - 마찰대전 고분자섬유의 배향결정 제어를 통해 표면전하밀도 향상 연구와 수분 및 유기물질에 의한 전하소실 물리적 현상 고찰을 통해 능동 정전섬유의 성능 개선 연구 진행 - 광반응 항균성능 강화를 위한 광 흡수 비표면적 증대에 대한 표면형상 제어 연구 수행 - 유기염료의 수분 내구성 향상과 나노섬유의 젖힘 특성 제어를 위한 불소계 소수성 분자, 미세구조 제어 등 표면개질을 통한 세척 재사용 및 내구성 향상에 관한 연구 진행 |
| 접수일 | 2023-01-09 |
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